从克服到适应：认识“生态适应性科学”
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生态适应性科学是一门旨在将可持续发展新技术纳入社会决策，将社会意识从克服转变为适应，并提供科学依据的学科。
自古以来，人类就从生态系统中获得了许多惠益。生态系统是指在一定空间范围内栖息的所有生物与其周围非生物环境相互作用而形成的动态系统。无论是森林或海洋，还是城市和山村，都与人类关系密切，都是各具特色的系统。在生态系统中，植物等初级生产者通过光合作用将无机物质转化为有机物质，动物和细菌等消耗、分解有机物质进而获得能量。伴随着生态系统中的这些过程，供人类食用的畜禽和农作物等得以孕育，作为建筑材料和木炭燃料的树木得以成长。不断长成的森林，通过蓄积降落到土壤中的雨水来调节水量，从而具有防洪的功能。树木吸收的一部分水分可通过蒸腾作用释放到大气中，引起雨水的再次降临。森林对大气中二氧化碳的吸收，也有助于气候的调节和控制。
2005 年，联合国主持编制的《千年生态系统评估报告》将“人类从生态系统中获得的所有惠益”称为“生态系统服务”（ecosystem service）。随着生态系统负荷的增大和人类对其依赖性的增加，人们认识到生态系统的这种恩惠是有限的，并且将这种价值作为“服务”进行经济评估，从而试图将其纳入生态系统管理和保护政策、自然恢复的决策过程。生态系统服务包括食物、水、纺织品、燃料等的供给服务，气候、水质、疾病等的调节服务，宗教、美学、休闲、教育等相关的文化服务，以及初级生产力、营养盐循环、土壤形成等相关的可支撑其他服务的基础服务（MA 2005）。
▲《千年生态系统评估报告》框架（MA 2005）。造成生态系统服务退化的直接因素是右下方正方形，间接因素在右上方。经欧姆社许可转载。
我们通过对生物和生态系统施加各种改造，实现了社会的富足。例如，在农业和林业中，选用果仁饱满、成熟早等具有人类偏好特性的种子和品种。此外，我们已屡屡改变生态系统：为推进集约化生产而大规模开发农业用地，为灌溉和防洪而大量建造大坝，以及根除有害物种，等等。总之，现代社会到目前为止似乎已用“蛮力”克服了所有的问题。
另外，这种克服型技术，正在全球范围内引发各种各样的问题。虽然特定的作物和林木的种植提高了生产效率，但是单一品种的大面积种植，使其更容易受疾病、害虫和台风等干扰带来的灾害。因为开发了高效的渔业生产技术，自1950 年以来，世界水产资源鱼类的捕获量增加了4 倍以上，但是32%的天然水产资源被过度利用，其正逐渐枯竭（FAO 2010）。此外，海域富营养化，加之气候变暖和鱼类的无序捕捞，使浮游植物和海蜇大暴发，正成为引起海洋生态系统发生巨大变化的原因之一。药物的使用在一定程度上提高了传染病和虫害的防治效果，但对药物产生抗性的细菌和害虫也会随之出现。在铺装沥青和混凝土的城市地区，雨水无法渗透的区域扩大，增加了洪灾的风险。根据《千年生态系统评估报告》，在24 个被调查的生态系统服务中，15 个（62.5%）呈现出了退化或者无法被可持续利用的状态（MA 2005）。
克服型技术的成功，对石油等可耗竭资源的依赖程度很高。石油是有限的资源，总有一天会枯竭。虽然页岩气、焦油砂、液态甲烷等非常规燃料的埋藏量很大，但这些非常规资源开采的相关环境负荷和成本仍是未知数，所以前景不容乐观。作物生产中不可或缺的化学肥料的原料之一—磷矿石，已经被认为在不久的将来可能会枯竭（Cordell et al. 2009；Gilbert 2009）。如果化肥的生产依赖于磷矿石，那么今后长期的食品生产就无法维持在现有水平。
我们在利用生物系统和生态系统的同时，会产生各种各样的风险。当前的科学技术过分追求高效利用，反而会增加风险。如果风险过大，长期的利润就会减少，社会成本也会增加。所谓可持续性高的社会，可以通过很好地保持这种平衡，实现长期利益的最大化。2011 年3 月发生的东日本大地震，使我们对当前的生活和科学技术产生了许多思考。我们明白了仅依靠硬件来应对灾害的局限性，并亲身经历了以短期效率为目标的集约型生产-供给系统存在的脆弱性与风险。这些方面也蕴含着与生态适应思想相同的潜流。
本书（《生态适应性科学》，日本东北大学生态适应性科学全球卓越研究中心著；李伟等译. 北京：科学出版社，2021.6）提出了一门新的学术领域——“生态适应性科学”（ecosystem adaptability science），即利用生物系统和生态系统原有的适应性（adaptability；概念扩展），解决克服型技术存在的上述问题，追求可持续发展的未来。生态系统是由生物个体与其他生物和环境之间复杂的相互作用进化而来的，并且是作为具有各种功能的复杂系统而得以维持的。突变产生新的基因、多样地重组基因创造变异的过程、不断变化的环境、适合度（fitness）高的个体被选择的自然选择过程、基因和个体随机交流交换的过程、物理约束等多种限制和筛选过程，使物种得以进化。这些过程通过极长时间的重复，在生物系统和生态系统内形成了各种各样的秩序。
▲ 生态适应性科学的学科框架
框架表示出了干扰影响生态系统功能和服务过程中的三个关键要素（非生物环境、生物多样性和生态系统功能）之间的相互作用。生物多样性和生态系统功能的研究方法主要集中在干扰对生物多样性、生态系统功能及其稳定性的影响（b）。而非生物环境的变化可直接影响生态系统的功能（c）。另外，生态系统的韧性研究方法关注的是生物多样性对干扰是如何响应的（a）。
生态系统被认为是所谓的“自组织”现象的产物，对于某种程度的环境变化也具有维持其功能的能力；或者说，它似乎变得具有“适应性”（Levin 1998）。换言之，生物系统和生态系统本来就具有可以很好地保持其功能的“构造”。适应性依赖于每个生物拥有的能力、物种和基因多样性、物种间相互作用网、空间构造复杂性和进化可能性等。生物系统和生态系统的哪些特性、在什么条件下有助于适应性，解析其中的机理，并将新技术（适应型技术）引入农田和城市等人工生态系统并帮助自然生态系统的管理，将是解决当前克服型技术所存在问题的方案之一。
统合了生物系统和生态系统适应能力的适应型技术共有三大优点。首先，降低环境变化和病虫害等难预测干扰所带来的风险。具备对预想干扰的适应性，就可能减轻其带来的影响。其次，预防性规避生态系统的不可逆变化。如果过度改变生态系统并超过其阈值，就会急速发生不可逆变化，有可能对生态系统服务造成巨大损害（Scheffer et al. 2009）。近年来，有人开始提出整个地球生态系统也可能存在相同的阈值（Barnosky et al. 2012）。在预防并控制全球生态系统发生不可逆变化的同时，受损的生态系统服务如何恢复也是今后重要的课题。最后，减小能源和矿物资源的消耗量和由此产生的环境负荷。过去的克服型技术不但消耗了大量的能源，也大量使用了磷矿石等矿物资源。考虑到今后能源价格上涨、资源枯竭，必须提高能源和资源的利用效率和再利用率。
实际引入这样的适应型技术时，必须建立能够引入这种技术的社会经济体系。为此，当前经济评价低的个别适应型技术所具有的经济效益，迫切需要通过费用效益分析来重新评估。这需要对将来获得的生态服务效益有恰当的评价方法。例如，如果只考虑森林的木材生产，单一种的人工林种植克服型技术，相较于采用多物种人工林种植和空间配置的适应型技术，短期的期望收益可能更高。但是，采用适应型技术可能会享受到木材生产以外的以及可持续稳定的生态系统服务。恰当地评价这样的生态系统服务的价值，是采用适应型技术的经济依据。如何将这些经济依据落实到政策决策机制和管理系统中去？如何评价执行效果？只有构筑起充分考虑到这些问题的社会体系，才能有助于更合理地普及适应型技术。
▲ 生态系统服务和经济评价（原始图片P. ten Brink）。生物多样性提供了许多生态系统服务，只有少数服务直接使人类和社会经济系统受益，因此并非所有生态系统服务都可以使用经济方法进行价值评价。
生态适应性科学包含：
①揭示适应性机制的基础研究；
②有助于各种产业和生态系统管理的适应型技术的开发；
③面向适应型技术的社会经济体系的建立。
需要将以上3 个方面进行一体化推进，以实现社会的可持续发展。本书尝试沿此方向将生态适应性科学系统化，并将上述内容分成“生态适应性科学的基础”、“适应型技术的必要性”和“生态适应性科学与社会” 三个部分分别加以阐述。
本书作为日本东北大学生命科学、环境科学、土木工程、农学、经济学等相关专业的研究生参考教材，由日本东北大学、东京大学、统计数理研究所等高校和科研院所的学者总结各自的研究成果编著而成。有别于国内的教材和专著，每位著者并不追求“面面俱到”，而仅就自身最擅长的研究领域进行详尽阐述，可以说本书的每一章节都凝聚了著者从事科研工作以来的研究心得和对本领域前沿问题的思考。每位著者研究背景迥异，涵盖了生态学、环境科学、农学、免疫学、经济学等领域，充分体现了多学科交叉的特征，有助于读者扩大研究视野。
纵观国内的生态学、环境科学等相关出版物，尚缺乏如此具有广度、深度和前沿性的教材。本书从生态学理论入手，阐释了各领域前沿研究成果，同时着眼于工程和实践应用，可作为研究生参考教材，也可为科研人员和工程技术人员提供理论和技术参考。
本文摘编自《生态适应性科学》（日本东北大学生态适应性科学全球卓越研究中心著；李 伟 金 秋 许晓光 杨永川 译. 北京：科学出版社，2021.6）一书“绪论 什么是生态适应性科学”“译者序”，有删减修改，标题为编者所加。
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ISBN 978-7-03-068787-6
责任编辑：刘 畅
本书从生态学理论入手，阐释了其在海洋资源保护、可持续农业发展、森林资源利用、公共卫生防疫、城市规划与景观等领域的前沿研究成果，并以此提出了“生态适应性科学”的理论和技术体系，即充分利用生物和生态系统固有的适应能力，改变传统“被动”治理的环境生态技术为“主动”的适应型技术。通过揭示生物系统和生态系统的性质及其适应性机制，将其引入生态系统构建、恢复和管理实践中，突破当前“被动”治理的环境生态技术的局限，以实现未来可持续发展的目标。
本书是日本东北大学生命科学、环境科学、土木工程、农学、经济学等相关专业的研究生参考教材，可作为我国相关专业的研究生参考教材，也可为相关科研人员和工程技术人员提供理论和技术参考。
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